潮流能转换流场特性及系统耦合动力学理论与试验研究

The tidal current energy conversion system is consists of a turbine, a marine support carrier/mooring system and a variable pitch & energy control system. The key technology of energy conversion is the capacity of capturing the tidal kinetic energy by the turbine, which depends on not only the flow field of natural environment and complex boundary factors, but also depends on the flow field interaction and dynamic coupling relationship of each part of the system. Thus, theoretical analysis, numerical simulation and experimental method are adopted in this project to study the hydrodynamic problems in two aspects, that are flow filed and dynamics coupling of tidal current energy conversion system. The study is focus on the effect trend of the flow filed model, numerical simulation method, complex boundary/environmental factors, and the correlation with hydrodynamic performance, load and efficiency of the turbine; the dynamics coupling model and numerical method of floating tidal current energy conversion system shall be established, which would reveal the characteristic of coupled hydrodynamic and the characteristic of energy conversion, and shall be validated by the experiment. A complete mathematical/mechanical model and its calculation method and program module shall be formed to describe the tidal current flow filed, loads and energy conversion under the ‘real’ environment; the trend between the boundary factors, system structure, and load will be obtained, which is the basement of the design and technology development for high performance tidal current energy device.

海洋潮流能转换系统由水轮机、海上支撑载体/锚系、变桨与能量控制系统等组成。能量高效转换的核心技术是水轮机叶轮获取潮流动能的能力，这种转换能力以及载荷作用既依赖于潮流场的自然环境与复杂边界因素，也依赖于系统中支撑结构等各部分的流场相互作用与动力耦合关系。因此，本项目针对潮流能转换的流场与系统动力学耦合两方面的基础水动力学问题，采用理论分析、数值模拟与试验测量的手段开展研究。重点研究潮流能转换流场的模型、数值模拟方法、复杂边界/环境因素的影响规律以及与叶轮水动力性能、载荷、效率的相关性；建立浮式潮流能转换系统耦合动力学模型及数值求解方法，揭示系统耦合水动力特性与能量转换特性，并通过试验验证。最终形成一整套能够描述“真实环境”下的潮流流场、载荷、能量转换的数学/力学模型及其计算方法和程序模块等，并获得环境边界因素-系统结构-能量转换-载荷等特征规律，为高性能潮流能装置的设计和技术发展奠定基础。

潮流能转换系统的核心技术是叶轮获取潮流动能的能力，这种能量转换能力以及载荷作用既依赖于流场的自然环境与复杂边界因素，也依赖于系统中各部分的流场相互作用与动力耦合关系。本项目采用数值和试验两种方法，对潮流能转换的流场与系统动力学耦合两方面的基础水动力学问题进行了研究，形成一整套能够描述“真实环境”下的流场、载荷、能量转换的数学模型及其计算方法，并获得环境边界因素-系统结构-能量转换-载荷等特征规律，为高性能潮流能装置的设计和技术发展奠定基础。.在CFD数值计算方面，针对复杂边界环境下（自由液面、剪切流、波浪、叶轮多自由度耦合运动）水轮机水动力特性进行研究，建立了一套复杂边界流场环境中水平轴叶轮水动力数值计算模型；并基于最小二乘法对CFD计算结果进行拟合，形成了一种水动力载荷的快速预报方法；并通过模型试验，验证了数值模型的准确性和计算精度。建立了水平轴叶轮阵列流场数值计算模型，研究了单叶轮、双叶轮，三叶轮三种不同形式的水轮机流场特性，并通过改变流速、叶尖速比以及叶轮间距对水轮机特性进行了分析，当并排两个叶轮轴间距高于1.6D时，对水轮机的能量转换效率与阻力系数影响很小，并通过水轮机尾流场PIV测试试验，验证了数值模型的准确性和计算精度。.针对浮式水轮机在运行过程中产生的叶轮盘面因为摇荡所引起的计算不准确问题，提出了一种基于大地坐标系的叶素动量理论改进算法G-BEM法，解决了浮式水轮机随平台运动响应时，盘面位置和方向随时间变化的问题；通过改进动量方程中速度亏损项的迭代过程，提高了计算精度和效率。通过与经典BEM算法、BLADED计算结果进行比较分析，验证了该方法的准确性和计算精度，为浮式水轮机的水动载荷计算提供了新的思路。.在模型试验方面，建立了水平轴水轮机耦合运动水动力特性试验系统，设计并研制了水平轴水轮机耦合运动水动力特性试验平台，形成了一套水平轴水轮机在纵摇/横摇下的测试方法，同时为数值模拟的验证提供了数据支撑。